5G5G网络架构及网元功能

Posted 2023-04-10 Zach method

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了5G5G网络架构及网元功能相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

5G网络架构及网元功能

5G网络架构和拓扑
5G核心网网元功能

5G网络架构和拓扑

NG-RAN和5GC网络拓扑及接口

基于服务接口的网络架构

5G核心网八大网元

NSSF：网络切片用的网元。
NRF：实现各个网元之间的互相通信。
PCF：实现策略的网元。
UDM：实现健全的网元。
AUSF：健全的一部分。
AMF：接入控制管理。
SMF：会话管理。
UPF：传数据的网元。

重要的接口

N2：AN与AMF之间NG接口。
N3：AN与UPF之间对接接口，采用GTP-U协议。
N4：控制面SMF和用户面UPF分离的设备接口。
N6：内部网络侧与外部网络侧协议接口，采用GTP-U协议。
Uu：空口。

NG-RAN和5GC的功能划分

gNB：5G基站。
ng-eNB：升级之后的4G基站连到5G核心网。
Inter Cell RRM：小区之间无线资源管理。
RB Control：RB，带宽涉及的物理资源；RB资源的管理。
Connection Mobility Cont.：连接移动性管理。
Radio Admission Control：无线准入控制，接入控制功能。
Measurement Configuration & Provision：测量配置。
Dynamic Resource Allocation(Scheduler)：动态资源的调度。

AMF：5G核心网网元，接入和移动性管理。
NAS Security：NAS信息加密处理。
Idle State Mobility Handling：空闲状态移动性处理。

SMF：5G核心网网元，会话管理功能。
UE IP address allocation：UE ip地址的分配。
PDU Session Control：PDU会话管理。

UPF：5G核心网网元，用户面功能。
Mobility Anchoring：移动性处理。
PDU Handing：PDU会话处理。

gNB功能

gNB又分为CU和DU，其中CU（Centralized Unit，集中单元）是负责连接核心网，参与上层协议栈SDAP、PDCP、RRC；
而DU（Distributed Unit，分布式单元）只负责连接CU，参与下层协议栈RLC、MAC、物理层。

无线资源管理：无线承载控制，无线准入控制，动态资源分配，连接态移动性控制；
IP头压缩、数据加密和完整性保护；
AMF选择；
到UPF的用户面数据路由；
到AMF的控制面路由；
连接建立和释放；
寻呼消息和系统广播消息的调度和传输；
测量和测量上报配置；
支持网络切片，支持双连接；
Qos Flow管理和到DRB的映射； // EPS承载
支持UE RRC_INACTIVE态；
NAS消息转发；

5G核心网网元功能

5G核心网网元：

5G核心网网元	功能描述	与4G网元对应关系
AMF(Access and Mobility Management Function)	NG1接口终止、NG2接口终止移动性管理、SM消息的路由接入鉴权、安全锚点功能（SEA）安全上下文管理功能（SCM）	类似于MME
SMF(Session Management Function)	会话管理、UP选择和控制 IP地址分配下行数据通知	类似于PGW-C
UPF(User Plane Function)	intra-RAT移动的锚点数据报文路由、转发、监测及Qos处理流量统计及上报	类似于PGW-U
UDM(Unified Data Management)	产生AKA过程需要的数据签约数据管理，用户鉴权处理、短消息管理支持ARPF	类似于HSS
AUSF(Authentication Server Function)	生成鉴权向量	类似于HSS中的Auc功能
PCF(Policy Control Function)	应用和业务数据流监测 Qos控制、额度管理、基于流的计费背景数据传送策略协商对通过NEF和PFDF从第三方AS配置进来的PFD进行管理数据流分流管理（不同DN）具备UDR前端功能以提供用户签约信息提供网络选择和移动性管理相关的策略 UE策略的配置（网络侧须支持向UE提供策略信息，比如：网络发现和选择策略、网络切片选择策略）	类似于PCRF
NEF(Network Exposure Function)	网络能力的收集、分析和重组网络能力的开放	类似于SCEF
NRF(NF Repository Function)	业务发现，从NF实例接收NF发现请求，并向NF实例提供发现的NF实例的信息	全新网元，类似于增强DNS

大唐杯备考——5G网元功能与接口（学习笔记）

📖 前言：本期介绍5G网元功能与接口。

🕒 1. 5G移动通信系统整体网络架构

5G移动通信系统基于SBA（Service Based Architecture，服务化架构）方式的架构如下图所示。接下来的例子都属于非漫游（注册地和服务区相同）5G移动通信系统架构。

与以往有什么不同？以往是层级的拓扑网络结构，节点与节点之间是层级交错的网络关系，而且节点集成度很高，各种功能大包大揽，这样有它的好处，入网简单，但缺点也很明显：扩展性困难、升级困难，所以我们看到以前的核心网扩容，要么加新节点，要么在现有节点上升级，在现有节点上升级风险比较大，升级错误可能造成网络瘫痪，而且，升级只能在原硬件平台上进行。

而SBA架构则不同，由于将网络功能（NF）拆分了，而所有的NF又都通过接口接入到系统中，这样做的好处：

负荷分担：相同的网络功能（NF）一起来承担和提供网络功能服务（NFS），负荷可以均衡分担。
容灾：任何的网络功能（NF）出现故障，智能化的网络管理可以让它暂时退出服务，将服务转给其它相同的网络功能（NF）上处理。
扩容简单：只需要增加新的网络功能接入系统即可，丝毫不影响现网运行。
升级容易：都是基于标准接口的接入，无论是硬件还是软件功能，需要推出新一代的，都可以直接接入，旧的需要淘汰则直接退网。
实现网络的开放能力，在标准接口下，其它系统也可以接入。

🕘 1.1 5G核心网架构

名词	定义
UE	终端
AN（Access Network）	接入网
CN（Core Network）	核心网
UPF（User Plane Function）	用户面功能
DN（Data Center）	数据中心
NF	网元功能体
NSSF（Network Slice Selection Function）	网络切片选择功能
NEF（Network Exposure Function）	网络开放功能
NRF（NF Repository Function）	网络仓储功能，支持服务发现功能
PCF（Policy Control function）	策略控制功能，主要功能是使用统一的策略框架来管理网络行为
UDM（The Unified Data Management）	统一数据管理，通过生成3GPPAKA身份验证凭据，通过对SUPI的存储和管理，对用户进行识别处理，对用户进行合法性验证
AF（Application Function）	应用功能，指应用层的各种服务
AUSF（Authentication Server Function）	鉴权服务器功能，处理3GPP接入和非3GPP接入的认证请求
AMF（Access and Mobility Management Function）	接入和移动管理功能，负责注册管理，连接管理，可达性管理，移动性管理等功能
SMF（Session Management Function）	会话管理功能，负责会话建立，修改和释放等

观察核心网的网元，发现都是以F（Function）结尾，其实它们与NFV（网络功能虚拟化）相关，基于通用的x86服务器实现，这就是与4G最大的不同之处。

5G网络功能之间的信息交互可以基于两种方式：

基于服务：多对一
基于点对点（又称参考点）：一对一

实际部署时，经常共同使用这两种方式。在5G网络架构中，不是所有的接口都适合基于服务表示。从上图可以看出，控制面内的网络功能（例如AMF）使其他授权的网络功能能够访问其服务，所以AMF与其他核心网功能间基于服务进行架构。但是，对于接口N1和接口N2，由于基站按需分散部署的特点，点对点表示方式更适合这两个接口。

5G移动通信系统点到点表示如下图所示。

🕘 1.2 5G接入网架构

名词	定义
CU（Centralized Unit）	集中单元
DU（Distributed Unit）	分布单元

5G无线接入网的基站网元功能拆分为CU和DU。5G移动通信系统NG-RAN CU与DU分离逻辑图如下图所示。

通常情况下，一个gNB的DU只会连接这个gNB的CU，但是灵活性高是5G系统的重要特点，所以实际应用时，DU有可能连接到多个gNB CU。gNB CU同样实现了控制面和用户面分离。在一个逻辑gNB中，通常只有一个控制面（CU-CP），但是会有多个用户面（CU-UP）。gNB-CU及其连接的若干gNB-DU作为一个整体逻辑gNB对外呈现，此时，这个逻辑gNB只对其他逻辑gNB和与其相连的5GC可见。

在3GPP历次会议中共提出了8种CU与DU分离方案，如下图所示。

CU与DU分离方案可以分为高层功能划分方案和低层功能划分方案。分离点越趋向高层（左边），表示更多的协议栈功能位于DU，此时集中化程度越低，实现越容易；分离点越趋向低层（右边），表示更多的协议栈功能位于CU，此时集中化程度越高，实现越困难。比如Option2就是把RRC+PDCP划分给CU，剩余的划分给DU。

8种方案中，Option2、Option7和Option8是重点讨论内容。

底层功能划分方案：便于控制面集中，利于无线资源干扰协调，可以采用虚拟化平台。但是由于对传输和时延要求较为苛刻，所以至今没有确定分离方案。
高层功能划分方案：3GPP已确定采用Option2。理由是PDCP上移便于形成数据锚点，便于支持用户面的双连接/多连接。

从资源集中度、协同性能、传输带宽要求及传输时延要求4个维度出发，对CU/DU方案策略进行比较，如下表所示。

Option4：对传输时延要求很高，且未看到其他性能增益，后续基本不考虑该方案。

🕒 2. 5G主要网元功能

5G系统由接入网（AN）和核心网（5GC）组成。AN与5GC的主要功能如下图所示。

名词	定义
小区	在蜂窝移动通信系统中，其中的一个基站或基站的一部分，与大区相对应
移动锚点	当用户在不同接入系统之间移动时，可以保证该网元分配的用户地址保持不变
PDU（Packet Data Unit）	分组数据单元
N接口	5G网元直接的通信接口，例如N1,N22等
Nplink	交换机上的一种端口，在点到多点系统中，由分散点到集中点的传输链路。例如：在移动通信中，由移动台到基站的链路
移动台	移动终端设备
QoS	服务质量，虽然翻译成服务质量，但是他是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术
ul/dl	up link/down link 上行/下行链路
SDF	service data flow 服务数据流
NAS（Non-Access Stratum）	非接入层作为核心网与用户设备之间的功能层。该层支持在这两者之间的信令和数据传输
信令	控制信号
SM	服务消息
SMS	短信消息
SMSF	短信消息管理功能
GTP	GPRS隧道协议
RRC	无线资源控制层
PDCP	分组数据汇聚协议
RLC	无线链路控制协议

🕘 2.1 UPF（用户面功能）

gNodeB间切换的本地移动锚点（适用时）
连接到移动通信网络的外部PDU会话点
基于N接口切换过程中，数据包路由与转发
数据包检查和用户面部分的策略计费
合法的监听拦截（集合）
流量使用情况报告
Uplink支持路由流量到一个数据网络
分支点以支持多类的PDU会话
对用户平面的QoS处理，例如包过滤、门控、UL/DL速率执行
Uplink流量验证（SDF到QoS流映射）
上下行链路上传输级别的数据包标记
下行数据包缓冲和下行数据通知触发

🕘 2.2 SMF（会话管理功能）

会话（PDU）的建立、修改、删除
包括UPF和AN节点之间的隧道维护
UE IP地址的分配和管理
DHCPv4（服务器和客户端）和DHCPv6（服务器和客户端）功能
选择控制用户面功能
QoS策略与控制，终止策略与控制
合法监听
下行数据的通知
终止NAS消息的SM部分
漫游功能

🕘 2.3 AMF（访问和移动性管理功能）

NAS信令及信令的加密和完整性保护
终止运行RAN网络接口(N2)
注册管理
连接管理
NAS移动性管理
可达性管理
合法截取/监听（用于AMF事件和对Ll系统的接口）
为在UE和SMF之间的SM消息提供传输
路由SM消息的透明代理
访问验证
在UE和SMSF之间提供SMS消息的传输
用户鉴权及密钥管理
承载管理功能，包括专用承载建立过程

🕘 2.4 gNB/en-gNB（基站）

中央单元-控制面CU-C（Central Unit - Control plane）

功能	解释
接口管理（Interface Management）	包括:Xn/NG/F1/E1等接口链路管理、接口消息处理（如：NG-AP）和数据处理（如：GTP-U）
连接管理（Connection Management）	单连接、双连接、多连接和D2D
流量导向（Traffic Steering）	系统内和系统间的负载均衡
切片支持（Slice Support）	系统内和系统间的切片资源动态管理

中央单元-用户面CU-U（Central Unit - User plane）
主要功能：数据包的处理和转换
分布单元DU（Distributed Unit）
主要功能：资源的调度、传输模式的转换、信道映射
有源天线处理单元 - 天线AAU-RF（Active Antenna Unit - Radio Frequency）
主要功能：信号的收发、Massive MIMO天线处理、频率与时间同步、AAS实现机制

🕒 3. 5G系统接口功能与协议

5G系统的接口非常多，如果考虑接口间的协同工作及相互影响，可能涉及的内容更多。本节内容仅针对NG接口、Xn接口、F1接口、E1接口和Uu接口进行描述。5G系统接入网（AN）和核心网（5GC）的主要接口如图所示。

🕘 3.1 NG接口

NG接口是NG-RAN和5G核心网之间的接口，支持控制面和用户面分离，支持模块化设计。NG接口协议栈如下图所示，其中左侧表示控制面协议栈（NG-C接口），右侧表示用户面协议栈（NG-U接口）。

NG-C接口功能与流程	具体描述
PDU会话管理过程	完成PDU会话的NG-RAN资源建立，释放或修改过程
UE上下文管理过程	完成UE上下文建立，释放或修改过程
NAS发送过程	完成AMF和UE间的NAS信令数据透传过程；初始UE消息（NG-RAN node发起）、上行NAS传输（NG-RAN node发起）、上行NAS传输（NG-RAN node发起）、下行NAS传输（AMF发起）、NAS无法传输指示（NG-RAN node发起）、重新路由NAS请求（AMF发起）
UE移动性管理过程	完成UE移动切换的准备，执行或取消过程；切换准备、切换资源分配、切换通知、路径切换请求、上下行RAN状态转发、切换取消
寻呼过程	完成寻呼区域内向NG-RAN节点发送寻呼请求过程
AMF管理过程	完成AMF告知NG-RAN节点AMF状态和去激活与指定UE NGAP UE组合过程；AMF状态指示、NGAP组合去激活（FFS）
NG接口管理过程	完成NG接口管理过程；NG建立、NG重置、RAN配置更新、AMF配置更新、错误指示

NG-U接口主要功能：

NG-U接口在NG-RAN节点和UPF之间提供非保证的用户平面PDU传送；
协议栈传输网络层建立在lP传输上；
GTP-U在UDP/IP之上用于承载NG-RAN节点和UPF之间的用户面PDU。

🕘 3.2 Xn接口

Xn接口是NG-RAN之间的接口，即存在于基站之间。Xn接口可以为不同设备厂商的NG-RAN设备提供互联。通过NG接口协同在NG-RAN节点之间提供业务连续性。Xn接口协议栈如下图所示，其中左侧表示控制面协议栈（Xn-C接口），右侧表示用户面协议栈（Xn-U接口）。在CU/DU分离的情况下，Xn-C是CU控制面之间的接口，Xn-U是CU用户面之间的接口。

主要功能：Xn-C接口管理和差错处理功能（1~5）、UE移动管理功能（6~10）、双连接功能（11）

Xn-C接口功能与流程	功能描述
Xn建立功能	允许两个NG-RAN nodes间Xn接口的初始建立，包括应用层数据交互
差错指示功能	允许应用层上一般错误情况上报
Xn重置功能	允许NG-RAN node告知另一个NG-RAN node其已经从非正常失败状态恢复，第二个node内需要删除与第一个node相关的所有上下文（应用层数据除外）并释放伴生资源
Xn配置数据更新功能	允许两个NG-RAN nodes随时更新应用层数据
切换准备功能	允许源和目的NG-RAN node间的信息交互从而完成给定UE到目的NG-RAN node初始切换
切换取消功能	允许通知已准备好的目的NG-RAN node准备的切换不进行，同时释放切换准备期间的资源分配
恢复UE上下文功能	允许NG-RAN node从其他node恢复UE上下文
RAN寻呼功能	允许NG-RAN node初始化非激活态UE的寻呼功能
数据转发控制功能	允许源和目的NG-RAN nodes间用于数据转发传输承载的建立和释放
双链接功能	使能NG-RAN中辅助节点内额外资源的使用

Xn-U接口主要功能：

Xn-U接口提供用户平面PDU的非保证传送，并支持分离Xn接口为无线网络功能和传输网络功能，以促进未来技术的引入；
数据转发功能，允许NG-RAN节点间数据转发从而支持双连接和移动性操作；
流控制功能，允许NG-RAN节点接收第二个节点的用户面数据从而提供数据流相关的反馈信息。

🕘 3.3 E1接口

在CU与DU分离的场景下，E1接口是指CU控制面与CU用户面之间的接口，E1接口只有控制面接口（E1-C接口）。E1接口是开放接口，支持端点之间信令信息的交换，支持5G系统新服务和新功能。E1-C接口不能用于用户数据转发。E1接口协议栈如下图所示。

E1接口管理功能：

错误指示（gNB-CU-UP或者gNB-CU-CP向gNB-CU-CP或者gNB-CU-CP 发出错误指示）；
复位功能用于gNB-CU-UP与gNB-CU-CP建立之后和发生故障事件之后初始化对等实体；
gNB-CU-UP与gNB-CU-CP之间应用层数据的互操作；
gNB-CU-UP配置更新: gNB-CU-UP将NRCGl、s - nssai、PLMN-ID和gNB-CU-UP支持的QoS信息通知给gNB-CU-CP。

E1上下文管理功能：

上下文承载建立（ gNB-CU-CP ） ;
上下文承载修改与释放（可以由gNB-CU或gNB-DU发起）；
QoS流映射（gNB-CU执行）；
下行数据通知（ gNB-CU-UP发起）；
承载不活动通知；
数据使用情况报告（gNB-CU-UP发起）。

TE ID分配功能（gNB-CU-UP）：

F1-U UL GTP TEID、S1-U DL GTP TEID、NG-U DL GTP TEID X2-U DL/UL GTP TEID、Xn-D DL/UL GTP TEID

🕘 3.4 F1接口

在CU与DU分离的场景下，F1接口是CU与DU之间的接口，通常称为中传接口，F1接口分为用户面接口（F1-U接口）和控制面接口（F1-C接口）。F1接口支持eNB-point之间的信令交互，包括支持不同eNB-point的数据发送。F1接口协议栈如下图所示，其中左侧表示控制面协议栈（F1-C接口），右侧表示用户面协议栈（F1-U接口）。

F1接口管理功能：

错误指示；
复位功能用于在节点建立之后和发生故障事件之后初始化对等实体；

系统信息管理功能：

系统广播信息的调度在gNB-DU中执行，gNB-DU负责NR-MIB、SIB1的编码，gNB-CU负责其他SI消息的编码。

F1 UE上下文管理功能：

基于接纳控制准则、由gNB-CU发起并由gNB-DU接受或拒绝F1 UE上下文的建立；
UE上下文的修改（可以由gNB-CU或gNB-DU发起）；
QoS流和无线承载之间的映射（gNB-CU执行）；
管理建立,修改和释放DRB和SRB资源（DRB资源的建立和修改由gNB-CU触发）。

RRC消息传送功能：

RRC消息通过F1-C传送，gNB-CU负责用gNB-DU提供的辅助信息对专用RRC消息进行编码。

F1-U接口主要功能：

用户数据传输（Transfer of user data）；
CU和DU之间传输用户数据；
流量控制功能（Flow control function）；
控制下行用户数据流向DU。

🕘 3.5 Uu接口

Uu接口又称为空中接口，是UE与网络之间的接口，这里的网络既可以是NG-RAN，也可以是5GC网络。Uu接口支持控制面和用户面分离，Uu接口控制面和用户面协议栈如下图所示。Uu接口控制面和用户面共享PDCP、RLC、MAC和PHY。对于PDCP、RLC、MAC和PHY，控制面和用户面使用时会有差异。

控制面与用户面相同功能：

RLC（Radio Link Control，无线链路控制）层位于gNB和UE之间。RLC层的重要功能是数据分段、重传和重复数据删除。
MAC（Medium Access Control，媒体接入控制）层位于gNB和UE之间。MAC层的主要功能是逻辑信道复用、HARQ重传、资源调度以及和调度相关的功能。
PHY（PHYsical，物理）层负责编解码、调制解调、多天线映射以及其他典型物理层功能。物理层以传输信道的形式向MAC层提供服务。

控制面的主要功能：

PDCP层完成加密和完整性保护
RRC层完成广播，寻呼，RRC连接管理，资源控制，移动性管理，UE测量报告控制
NAS层完成核心网承载管理，鉴权及安全控制

NAS是控制面功能，位于核心网的AMF与终端之间，功能包括核心网承载管理、注册管理、连接管理、会话管理、鉴权、安全性和策略控制。基于服务的NAS接口如下图所示。

用户面的主要功能：

PDCP层完成头压缩，加密，调度，ARQ/HARQ（混合自动重传），但是没有完整性保护
5G用户面增加新的协议层SDAP（Service DataAdaptation Protocol），完成流（5G Qos flow）到无线承载（DRB）的QoS映射，为每个报文打上流标识（QFI: QoS flow ID ）

参考文献
🔎 5G核心网的颠覆：SBA架构
 🔎 老猿学5G随笔：5G网元功能体NF以及NF之间的两种接口–服务化接口和参考点
 🔎 5G架构（非漫游）及主要实体介绍
 🔎 大唐杯学习笔记(1)—— 5G网络架构与组网部署
 🔎 《5G系统技术原理与实现》——人民邮电

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